三峽水庫水體荷載變化對地殼形變的影響

孫伶俐,姚運(yùn)生,蔣玲霞,魏貴春,王 慧,羅俊秋

（1.中國地震局地震研究所地震大地測量重點實驗室,武漢 430071；2.湖北省地震局,武漢 430071；3.宜昌地震臺,湖北宜昌 443100）

三峽水庫水體荷載變化對地殼形變的影響

孫伶俐1,2,姚運(yùn)生1,2,蔣玲霞1,2,魏貴春1,2,王 慧2,3,羅俊秋1,2

（1.中國地震局地震研究所地震大地測量重點實驗室,武漢 430071；2.湖北省地震局,武漢 430071；3.宜昌地震臺,湖北宜昌 443100）

為研究三峽水庫水體荷載變化對地殼形變的影響,選取2001—2014年宜昌地震臺的地殼形變潮汐與非潮汐參數(shù)進(jìn)行分析,結(jié)果顯示：原始數(shù)據(jù)分鐘值、長趨勢、潮汐因子、潮汐相位滯后等參數(shù)在三峽水庫水體荷載變化過程中出現(xiàn)明顯異常。地震前觀測資料分鐘值、長趨勢出現(xiàn)異常：水管傾斜儀分鐘值在秭歸縣屈原鎮(zhèn)ML4.6級地震前4 h出現(xiàn)明顯下降,N和S端下降量分別達(dá)23×10－3角秒、10×10－3角秒；洞體應(yīng)變儀EW分量在巴東MS5.1地震前3月出現(xiàn)破年變轉(zhuǎn)折,由壓變張；潮汐分析結(jié)果顯示異常：洞體應(yīng)變NS分量潮汐因子在2001—2014年間出現(xiàn)階段下降,2009年9月后,NS和EW分量潮汐因子發(fā)生同步異常變化（NS繼續(xù)下降、EW小幅上升）。應(yīng)變、傾斜的潮汐相位滯后在水位下降期和ML≥4.0級以上地震前均出現(xiàn)轉(zhuǎn)向變化。

地殼形變；宜昌地震臺；三峽水庫；水體荷載；震前異常；潮汐分析

2015,32（12）：46－50

1 研究背景

長江三峽水庫二期工程于2003年6月1日開始蓄水至今已有11 a歷史[1］,蓄水期內(nèi)水位短時迅速抬升,水體荷載快速增加。自初次蓄水至今,三峽水庫重點監(jiān)視區(qū)內(nèi)發(fā)生ML≥4.0級地震5次,其中最大地震為2013年12月16日湖北省恩施土家族苗族自治州巴東縣MS5.1地震。

2003年蓄水初期,微震活動對水位的快速上升具有及時響應(yīng)的特點[2］,屬于“迅速響應(yīng)”型；隨著庫水的持續(xù)滲透,微震活動減弱,地震活動與水位的相關(guān)性變得不明顯,區(qū)域應(yīng)力作用凸顯[3］,地震破裂方式有可能受控于已有斷層構(gòu)造的繼續(xù)活動,局部孕震環(huán)境趨向復(fù)雜。

本文作者選取距三峽庫區(qū)較近的宜昌地震臺（簡稱宜昌臺）2001—2014年形變觀測時間序列,從連續(xù)、高靈敏度的傾斜和應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)解算出能夠反映局部介質(zhì)變化與應(yīng)力積累的潮汐因子等參數(shù),結(jié)合幾次中強(qiáng)地震前觀測數(shù)據(jù)的異常表現(xiàn),對水庫蓄水過程中潮汐參數(shù)的異常變化進(jìn)行歸納與總結(jié),以期發(fā)現(xiàn)水庫地震發(fā)生前定點形變學(xué)科中具有預(yù)測意義的方法和指標(biāo)。

2 三峽庫區(qū)水位及地震活動變化過程

2.1 三峽庫區(qū)水位變化過程

2003—2013年間三峽水庫水位消漲均有一定的時間規(guī)律。2000—2003年,蓄水前水位值保持在65.6～76.6 m范圍內(nèi)變化；2003—2006年在135 m以下變化；2006—2008年達(dá)到156 m,2008—2009年達(dá)到173 m；2010—2014年間完成175 m蓄水目標(biāo),后每年均于8—9月間開始蓄水,次年6月降至145 m。

2.2 地震活動情況

2001年至今,三峽水庫重點監(jiān)視區(qū)內(nèi)發(fā)生中強(qiáng)地震5次（ML≥4.0）,蓄水前發(fā)生過的最大地震為2001年12月13日秭歸ML4.1,蓄水后最大地震為2013年12月16日巴東MS5.1地震。2001—2014年三峽地區(qū)數(shù)次中強(qiáng)地震地理位置分布如圖1所示。

將地震（ML≥2.0級）M-t圖與水位變化對比,結(jié)果可以得到水庫蓄水各時段最大發(fā)震震級、發(fā)震頻次與水位變化[4］的相關(guān)規(guī)律,如圖2所示。

（1）中強(qiáng)地震在水位下降時段較易發(fā)生,如2008年秭歸屈原鎮(zhèn)ML4.6級、2013年巴東MS5.1級地震、2014年秭歸ML4.7,4.9級地震均發(fā)生在水位升至最高水位后的下降時段。

圖1 2001—2014年三峽地區(qū)數(shù)次中強(qiáng)地震地理位置分布圖（ML≥4.0）Fig.1 Layout of moderately strong earthquakes in the Three Georges reservoir area（ML≥4.0）from 2001 to 2014

圖2 地震等級與水位隨時間的變化（2000－01－01—2014－05－31,ML≥2.0）Fig.2 Variations of earthquake magnitude and water level with time

（2）地震發(fā)生頻次隨庫水位升高而增強(qiáng),高頻次較為集中時段為2006年9—10月、2008年11月—次年6月,當(dāng)時水位高度分別為156,173 m,地震活動受高水位控制明顯。

（3）2010—2013年間,隨著庫水的持續(xù)滲透,地震活動水平較低,震中也比較分散,地震活動與水位的相關(guān)性變得不明顯。

3 觀測臺址概況及儀器參數(shù)

宜昌臺距黃柏河0.6 km,距葛洲壩6.4 km,距三峽大壩30 km。地質(zhì)構(gòu)造上位于上揚(yáng)子褶皺帶黃陵斷塊南緣,東南距北東向新場一古老背斜斷裂帶約20 km,西南距北西向天陽坪斷裂30 km。北東距NW向霧都河斷裂和NNW向遠(yuǎn)安斷裂帶分別為20 km和30 km。

宜昌地震臺1983年建臺,臺站山洞進(jìn)深200 m,臺基為白堊系下統(tǒng)石門礫巖,巖石堅硬,膠結(jié)完整,洞頂覆蓋厚度為29 m,洞溫18.02℃,年變化小于0.2℃。宜昌臺形變觀測儀器2001—2013年以來持續(xù)觀測時間長、運(yùn)行穩(wěn)定、產(chǎn)出資料質(zhì)量高,連續(xù)率一直保持在99.9%以上；觀測曲線固體潮形態(tài)良好,潮汐因子變化穩(wěn)定,觀測內(nèi)精度持續(xù)保持在全國先進(jìn)水平[5］；進(jìn)行蓄水前后潮汐觀測指標(biāo)的量化對比分析,參與計算的數(shù)據(jù)為DSQ型水管傾斜儀、SSY洞體應(yīng)變儀連續(xù)產(chǎn)出的分鐘值和整時值,計算時間段為2001年6月1日至2014年5月31日。宜昌臺現(xiàn)有形變觀測儀器包括重力、水管傾斜、擺式傾斜、洞體應(yīng)變、鉆孔應(yīng)變等多類儀器,如表1所示。水管傾斜、洞體應(yīng)變類形變儀器的主要技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)如表2所示。

表1 宜昌臺形變固定觀測點在網(wǎng)儀器統(tǒng)計Table 1 Conditions of the operation instruments for measuring deformation at Yichang station

表2 宜昌臺DSQ水管儀、SS-Y洞體應(yīng)變儀主要技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)Table 2 Main technical indexes and parameters of water tube tiltmeter DSQ and strain gauge SS-Y used in caverns at Yichang station

4 宜昌臺定點形變觀測異常變化

蓄水期間,三峽重點監(jiān)視區(qū)內(nèi)的5次中強(qiáng)地震震時,宜昌臺定點形變觀測有明顯同震響應(yīng),在2008年秭歸ML4.6級、2013年巴東MS5.1級這2次地震震時出現(xiàn)階躍、突跳,震前出現(xiàn)觀測資料分鐘值和長趨勢破年變異常。

4.1 地震前分鐘值異常變化

2008年11月22日秭歸縣屈原鎮(zhèn)ML4.6級地震震前4 h,宜昌臺水管儀的N和S單端值在12時40分出現(xiàn)同步下降,下降量分別為23×10－3角秒、10×10－3角秒,NS分量高差值－10×10－3角秒左右,如圖3所示。據(jù)核實,此間無周邊環(huán)境、人為干擾、儀器故障等因素干擾。異常出現(xiàn)時間與省臺網(wǎng)宜都、興山臺的地震波形記錄保持一致,地振動情況真實。此次異?，F(xiàn)象與臺點S端的仙女山、天陽坪斷裂活動較為密切。

4.2 地震前長趨勢異常變化

2013年巴東MS5.1地震前近3月,宜昌臺洞體應(yīng)變儀EW分量觀測曲線于2013年9—11月出現(xiàn)破年變異常,從2013年9月1日出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,由原來的壓縮變?yōu)槔瓘?背離以往的年變轉(zhuǎn)折規(guī)律,如圖4所示。臺站其他儀器未出現(xiàn)同步趨勢異常。異常核實后發(fā)現(xiàn)周邊存在山體開挖施工影響,是否是地震前兆表現(xiàn)還需進(jìn)一步深入研究。

圖3 2008年秭歸縣屈原鎮(zhèn)ML4.6地震前、后宜昌臺形變觀測曲線Fig.3 Curve of deformation observation at Yichang station before and after the earthquake（ML4.6）at Zigui county in 2008

4.3 原始觀測曲線異常變化

圖4 2013年巴東縣MS5.1地震前后宜昌臺形變觀測曲線Fig.4 Curve of deformation observation at Yichang station before and after the earthquake（MS5.1）at Badong county in 2013

從洞體應(yīng)變和水管傾斜原始觀測曲線的長趨勢變化可以發(fā)現(xiàn)（如圖5所示）,洞體應(yīng)變長趨勢觀測在水位上升期呈壓性、下降期呈張性,與水體加卸載應(yīng)力變化一致；水管傾斜在2003—2004年出現(xiàn)S-W負(fù)傾、2006—2007年N-E正傾變化。區(qū)域塊體受三峽水庫荷載影響引起的應(yīng)力變化在曲線上有所反應(yīng)。

圖5 2001—2014年三峽水位與宜昌臺形變觀測年變曲線對比Fig.5 Deformations observed vs.time and reservoir water level vs.time at Yichang station：2001—2014

4.4 潮汐參數(shù)異常變化

采用Vinedikov調(diào)和分析方法,計算2001—2014年宜昌臺傾斜、應(yīng)變整時值觀測數(shù)據(jù),得到潮汐因子、潮汐相位滯后、潮汐速率變化時間序列,分析結(jié)果顯示：線應(yīng)變潮汐因子出現(xiàn)明顯異常。

從圖6可看出。洞體應(yīng)變潮汐因子參數(shù)以2003年139 m、2008年173 m高水位為分界出現(xiàn)階段式變化,NS分量潮汐因子值出現(xiàn)低值異常；在2008年秭歸縣屈原鎮(zhèn)ML4.6級地震至2013年巴東MS5.1地震期間表現(xiàn)突出,均值從2009年9月前后發(fā)生變化,由原來的0.860 5降至0.660 0,減小23.3%；EW分量同步上升,增加3.6%。

圖6 2003—2014宜昌臺洞體應(yīng)變儀年潮汐因子變化曲線Fig.6 Curve of variation of tidal factor measured by strain gauge at Yichang station：2003—2014

5 結(jié)論與討論

三峽水庫蓄水循環(huán)加卸載過程中,宜昌臺定點形變長趨勢觀測與蓄水的階段性加卸載具有對應(yīng)變化；潮汐分析中潮汐因子值出現(xiàn)異常,應(yīng)變δ值NS分量下降、EW分量上升；應(yīng)變、傾斜潮汐相位滯后在水位下降期和中強(qiáng)地震前出現(xiàn)轉(zhuǎn)向。水載荷效應(yīng)對水管傾斜類潮汐參數(shù)影響不明顯,兩類儀器的采樣頻段、測量參數(shù)計算方法等指標(biāo)的不同造成了這種差異[6］。

地球固體潮響應(yīng)函數(shù)的變化往往是震源區(qū)及其鄰近地區(qū)的地殼彈性特征發(fā)生變化的反映。潮汐因子值在震前出現(xiàn)低值異常變化的情況有很多,對固定臺站來說,在正常情況下,實測與理論潮幅之比γ＝應(yīng)保持穩(wěn)定或2倍均方差范圍內(nèi)有限波動,而γ＝1＋k－h(huán),k和h為表征地球物理特性的參數(shù)（勒夫數(shù)）,因此潮汐因子是具有物理意義且與震源各參數(shù)存在內(nèi)在聯(lián)系[6］。假設(shè)區(qū)域固體潮理論值σi0保持不變,有洞體應(yīng)變NS的σi增大,EW的σi減小,則可推斷變化方向上NS表現(xiàn)為張,而EW為壓；量級上,以張性為主。

蓄水初期,在水滲透作用下,庫區(qū)地下介質(zhì)、裂隙、斷層中的孔隙壓持續(xù)增大[7］,微震活動受庫水滲透影響明顯,庫水荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力強(qiáng)度及作用范圍有限,產(chǎn)生的變形為非永久形變,水的滲透作用改變了區(qū)域淺部介質(zhì)密度分布。2005年11月后應(yīng)變NS分量潮汐因子出現(xiàn)第1次下降、EW分量上升；2009年9月水庫173 m二次蓄水期過后,出現(xiàn)了“地震活動平靜”現(xiàn)象,微震活動并未隨水位升高而增強(qiáng),庫區(qū)的孕震環(huán)境悄悄發(fā)生變化[8］,滲透的庫水與斷層構(gòu)造、地應(yīng)力環(huán)境結(jié)合,產(chǎn)生大范圍的耦合作用,庫水載荷局部作用通過斷層、水頭壓力的變化逐步放大,區(qū)域受力發(fā)生改變,洞體應(yīng)變NS和EW分量的潮汐因子同步出現(xiàn)異常。因此,宜昌臺洞體應(yīng)變的潮汐因子異?，F(xiàn)象,是區(qū)域的內(nèi)部介質(zhì)密度分布和彈性特征發(fā)生變化的體現(xiàn)。隨著蓄水過程的持續(xù),還需密切跟蹤分析庫水對地殼形變和斷層活動的影響。

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[2]申學(xué)林,陳俊華,魏貴春,等.三峽水庫巴東地區(qū)的介質(zhì)變化分析[J］.長江科學(xué)院院報,2010,27（5）：92－94.（SHEN Xue-lin,CHEN Jun-hua,WEI Gui-chun,et al.Analysis of Media Variation in Badong Area of Three Gorges Reservoir[J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2010,27（5）：92－94.（in Chinese））

[3]周 斌.水庫誘發(fā)地震時空演化特征及其動態(tài)響應(yīng)機(jī)制研究[D］.北京：中國地震局地質(zhì)研究所,2010：17－21.（ZHOU Bin.Temporal and Spatial Evolution Characteristics of Reservoir-induced Seismicity and Its Dynamic Response Mechanism：A Case Study of the Zipingpu Reservoir[D］.Beijing：Institute of Geology,China Earthquake Administration,2010：17－21.（in Chinese））

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[7]車用太,陳俊華,張麗芬,等.長江三峽工程庫首區(qū)胡家坪MS4.1水庫誘發(fā)地震研究[J］.地震,2009,29（4）：1－13.（CHE Yong-tai,CHEN Jun-hua,ZHANG Li-feng,et al.Study of the Reservoir-induced Hujiaping MS4.1 Earthquake in the Three Gorges Dam Area[J］.Earthquake,2009,29（4）：1－13.（in Chinese））

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（編輯：曾小漢）

Effect of Water Load Variation in the Three Gorge Reservoir on the Crustal Deformation

SUN Ling-li1,2,YAO Yun-sheng1,2,JIANG Ling-xia1,2,WEI Gui-chun1,2,WANG Hui2,3,LUO Jun-qiu1,2
（1.Key Laboratory of Earthquake Geodesy,Institute of Seismology of China Earthquake Administration,Wuhan 430071,China；2.Hubei Earthquake Administration,Wuhan 430071,China；3.Yichang Seismic Station,Yichang 443100,China）

In order to study the effect of water load variation in the Three Gorge reservoir on the crustal deformation,we used the observation data of crustal deformation of tidal analysis and none-tidal analysis at Yichang seismic station from 2001 to 2014,and there was clear evidence that original parameters such as the minute value,the long trend,tide factor and phase lag showed anomaly during the process of the variation of water load in the Three Georges reservoir.Anomalies of the minute value and the long trend data were observed before the earthquake；moreover,4 hours before the earthquake（ML4.6）in Quyuan town of Zigui county,the minute value of water tube tiltmeter declined significantly,and the amount of drop in north end and south end is up to 23×10－3,10×10－3angular seconds,respectively；at the time of 3 months before the earthquake（MS5.1）in Badong town,the EW component of hole strain gauge appeared to break the law of annual variation and changed from compression to tension；finally,tidal analysis results showed abnormal：the tidal factors of NS component of hole strain declined in phases from 2001 to 2014,and the change of synchronous anomalies of the tidal factors of NS and EW components took place in September,2009,in other words,data of NS component continued to fall and data of EW component rose slightly；adverse change of the tide phase lag of strain and tilt appeared in the period of water level's drop and before earthquakes（ML≥4.0）.

crustal deformation；Yichang seismic station；Three Gorges Reservoir；water load；anomaly before earthquake；tidal analysis

P315.725

A

1001－5485（2015）12－0046－05

10.11988/ckyyb.20140525

2014－06－27；

2014－09－15

中國長江三峽集團(tuán)公司科研專項（SXSN/3354,3511）；中國地震局地震研究所所長基金（IS201546227,IS201226074）；中國地震局三結(jié)合課題（22004041804－6）；武漢市科技計劃項目（2013060501010166）

孫伶俐（1977－）,女,湖北孝感人,工程師,碩士,主要從事地殼形變觀測資料的分析研究、地震分析預(yù)測工作,（電話）027－65390352（電子信箱）sunll777＠sina.com。